车辆机械式变速器多目标可靠性优化设计*

解 云

(合肥职业技术学院 安徽合肥 230012)

人们生活水平的提高以及科学技术的不断进步，推动了中国汽车行业的发展。目前在人们的日常生活当中，汽车已经成为了不可缺少的主要出行工具，人们对汽车的性能和使用安全等的要求也逐渐提高。而在汽车结构当中，变速器有着非常重要的作用，其对汽车的性能、行驶速度等有着直接的影响。因此，为了能够保证汽车的性能，提高汽车的寿命和安全性，就必须要保证变速器的高质量和高性能。

1机械式变速器设计的特点研究

首先要保证设计的机械式变速器的动力能够达到设计的目标，满足实际的需要。机械式变速器一般应用于卡车和商业车当中，所以应对该类车的实际应用情况进行考虑，保证机械式变速器能够与发动机相配合，为车提供足够的牵引力，让其承担重力和高压的能力得到增强。其次应提高机械式变速器的协调性，目前驾校内使用的教练车一般都是机械式变速器形式，其拥有较高的安全性，才能保证学车者在练车的过程中能够对车辆进行有效的控制。最后机械式变速器汽车拥有较高的安全性、稳定性和性价比，并且价格较低，比较实惠。

2汽车机械式变速器优化设计研究

对汽车机械式变速器进行优化设计一般采用现代化先进、科学的方法，以此提高汽车的性能，并有效针对汽车的零部件结构等内容，与更加紧密的数字化计算相结合，进一步提高汽车的安全性、稳定性以及舒适性。

2.1优化设计齿轮参数

2.1.1确定齿轮参数 首先应该确定中心距和初选模数，因为机械式变速器的自重会因为中心距增大而不断增加，所以齿轮的强度会受到较大的模数影响，因此一般采用公式初选确定相应的模数参数。其次应该确定压力角和齿轮的宽度，因为压力角增大，会提高齿轮接触和抗弯的强度，根据公式对其进行计算发现，当齿角过大时，会在一定程度上增加负载，从而将齿轮的承载力降低。最后应该确定齿数，计算变位系数，通过利用螺旋角的斜齿轮可以加大齿轮的重合力度，不仅能够降低产生的噪音，还能提高强度，然后再计算轴承上产生的轴向力，最终确定齿数，并分析齿轮实现的原因，采取有效的措施将其承载力进一步提高。

2.1.2计算齿轮尺寸及使用强度 因为齿轮参数量相对较多，所以必须完全依照实际的情况计算齿轮参数(比如变位系数、分度圆直径、公法线长度等)，保证计算的准确率。

要想判断机械式变速器的齿轮有效性，一般可以采用计算齿轮强度的方法进行。当齿轮出现故障和损坏的情况时，齿轮往往会出现折断、胶合等现象，需要提高齿面的抗点蚀能力，才能保证齿轮能够正常运行。应用相应的公式(两个弹性圆柱体接触面公式)可以知道，动力在传递的过程中，齿轮需要保持在悬臂的状态，以便在提高齿轮可靠性的同时，最终实现轻量化的优化设计工作，进一步提升汽车机械式变速器的可靠性。

2.2分析机械式变速器设计的模型

由于现在轻量化设计是目前的主要设计方向，所以在实际的优化设计过程中，经常会采用轻量化设计，但是在一定程度上降低了汽车的可靠性，降低汽车出现故障的概率。为了将机械式变速器轻量化和可靠性设计之间存在的矛盾有效解决，在进行设计时需要充分考虑并权衡两者之间存在的关系，在换挡的过程中应该对应改变变速器的转动比。在轻量化设计当中，缩小变速器齿轮系统的体积是最重要的内容，所以可以将齿轮系统中的齿轮体积之和作为目标函数，将齿轮的宽度由bi表示，齿轮分度圆直径由di表示，可以得到：

(1)

因为齿轮的传动采用的齿轮类型为渐开圆柱型齿轮，当齿轮的分度圆模数与压力角的状态为咬合时，倒挡与一档的齿轮之间会取相同的模数值以及螺旋角，倒挡传动比会直接影响倒挡齿轮的体积，所以在对前进挡位齿轮设计完成之后，可以依据倒挡转动比计算获得倒挡的其他参数情况。通过明确设计变量，从而完成构建约束条件，求解目标函数，从而缩小汽车机械式变速器系统的体积，让汽车的轻量化设计与可靠性设计都能同时满足。

2.3明确约束条件

2.3.1最大传动比的约束研究 约束汽车传动系统最大转动比的因素相对较多，比如最大爬坡度以及车辆的附着力等，汽车在路面上行驶不能出现打滑的现象。设定主减速器的传动比为i0，一档传动比用i1表示，二者的乘积将为最大的传动比，将驱动轮和路面的附着条件作为约束条件，可以得到：

(2)

式(2)中，rr表示车轮的滚动半径；Φ表示驱动轮和路面附着条件；Fn表示驱动轮上法向反作用力；表示传动系机械效率，一般其取值为0.835；Temax则表示汽车发动机最大转矩。

2.3.2中心距的约束 中心距决定了车辆机械式变速器的最终体积大小，所以需要对其进行有效的约束(如图2)，从而让汽车达到轻量化设计的目标，保证设计的相关内容、强度等满足实际的需求。之后，需要尽量进行中心距值降低，此时变速器的传动比最大，同时还要保证发动机处于最大的转矩中，其公式为：

(3)

式(3)中A表示中心距。

图2 平衡中间轴轴向力示意图

因为齿轮传动的轴向系数大于等于1，所以为了让齿轮传动的平稳定得到保证，得到了以下的约束条件公式：

G17=πmni-bsinβi≤0

(4)

式(4)中，mni表示模数约束；βi表示螺旋角约束的中间轴式变速器；b1表示齿轮宽度。通常情况下，轿车的mni取值范围为2.25～3；βi的取值范围为22°～34°；b1的取值范围为3mni～8.6mni。一般齿轮的宽度应该大于其他的齿轮副齿轮宽度，才能让传动的平稳性得到保证，并在一定程度上将齿轮的使用寿命进一步提高。同时也延长汽车的使用寿命，提高汽车的安全性和稳定性。

3多目标优化方法及优化设计结果研究

3.1机械式变速器多目标优化方法研究

在现代社会中，多目标优化求解的方法较多，文章采用的综合目标方法对车辆机械式变速器进行优化设计，该类方法主要是通过一定的方法将原有的多目标优化问题转换成为统一的目标函数，并采用单目标的函数优化方法进行求解。首先针对面临的每个目标问题，预先给定期望值，当其能够满足相应的约束条件时，求解得出与期望值类似的值，最终形成评价函数，各个单元中的最优化值倒数为权系数。用W1和W2分别表示目标函数的加权系数可以得到：

minF(X)=W1F1(X)+W2F2(X)

(5)

3.2机械式变速器多目标优化设计分析

为了能够进一步将优化设计的进度提高，文章在对机械式变速器进行编程和优化设计的过程中，主要采用了多重循环的方法以及更加科学的VB变成语言，有效解决了目前存在的离散变量以及局部解等情况。在实际优化的过程中需要先优化目标函数的最优值，从而获得目标函数的加权系数，采用统一的目标函数针对各个挡位的传动齿轮进行优化，最终得到优化设计的结果，如表1所示。

表1 优化设计前后对比结果

由表1可知，优化后的齿轮数(z)、齿轮法向模数mni等的数值都降低了，说明车辆机械式变速器的多目标可靠性优化设计参数合理。将其与优化之前的齿数、齿轮宽度等进行对比，可以看出，齿轮的宽度等都明显减小，通过优化设计后的机械式变速器齿轮的体积也进一步减小，从而提高了车辆机械式变速器的可靠性，并且能够让车辆机械式变速器的轻量化设计与可靠性设计得到了平衡，有效解决了齿轮中心距变化不一致的情况，让汽车使用的安全性、可靠性和稳定性得到了保证，延长了汽车使用的寿命，推动了汽车行业的进一步发展。

3.3机械式变速器多目标优化结果验证

通过对比进行多目标可靠性优化设计后的数据与原始数据可以知道，车辆机械式变速器经过多目标可靠性优化设计之后，其体积主要降低了9.2%，且机械式变速器与车辆系统的重合度提高了6.3%，提高了变速器齿轮系统应用的可靠性。基于此，能够准确控制与判断车辆机械式变速器设计的可靠性与存在的故障问题，由此可以说明机械式变速器多目标优化具有较大的价值。

4结语

随着社会经济的不断发展，人们的生活质量和生活水平得到提高，人们对汽车的使用安全性、稳定性和可靠性的要求越来越高。而车辆机械式变速器是影响汽车稳定性的重要因素，要想车辆机械式变速器的可靠性得到优化设计，就必须明确进行优化设计的实现路经，严格控制好优化的程序，构建车辆机械式变速器基础优化的模型，并确定中心距、齿轮宽度、齿轮数量等约束条件，将车辆机械式变速器设计的合理性进一步提高，以保证机械式变速器的稳定性能，让其能够满足安全行驶的需求。